第5章  基于人机工程学的机械产品虚拟建模设计

   同仿真技术一样，虚拟设计的建模是开发VR应用的核心。首先从数字上定义基本过程，并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型，在将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。第二步，开发对象数据库和优化模型，即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I／O工具映射到仿真的世界。虚拟现实技术的建模过程如下：

(1)几何建模：描述虚拟对象的形状和外表，可通过照片扫描或图像绘图软件建立。

(2)运动建模：表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓握和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。

(3 )物理建模：反映对象的质量、重量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，我们可用虚拟手握住这个实体，就能够真实地感受到该物体的重量、表面光滑程度等。

度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，我 图1 VR建模过程。

(4)声音建模：根据听觉机理提供声音模拟。

(5)模型分割：在不失真的条件下，减少模型的复杂度，提高显示实时性。

在机械产品的概念设计阶段，将虚拟设计的方法放在人机协同的环境当中，或者说，将人机工程学的分析与虚拟建模结合起来，以安全科学，系统科学为核心，通过人、机、环境三大要素的关联与制约、人的特性与数学模型、机的特性与人机界面的设计，环境特性与作业空间的设计，人、机、环境系统的总体性能分析与安全评价计算等，得出尺寸参数等，进而在这个基础上进行虚拟建模设计。

5.1. 各种方法比较总结与分析

目前机械产品的虚拟设计主要集中在以下几种方法的研究上: 需要传送数据的虚拟设计;不需要传送数据的虚拟设计; 虚拟菜单的建造等.

5.1.1.需要传送数据的虚拟设计

   参数化的CAD/CAM系统经过“数据集成器”将CAD/CAM 中所建造的模型数据，经过处理并传送到虚拟环境中，以适应在虚拟环境中进行设计、装配和制造的需要。用户可根据从CAD 系统传来的参数化模型进行观察、标注尺寸、修改或改进评价。用户要通过主界面及数据集成器和进行数据交换后的图形进行交互。这种虚拟设计中的CAD/CAM 可以选择各种商品化的系统，例如：Pro/Egineer,CARTIA,AtoCAD 等。

   数据集成器是模型管理器的一部分，负责在虚拟环境和CAD/CAM 系统之间双向数据传送的任务，一方面接收从CAD/CAM 传过来的产品模型数据，另一方面要将在虚拟环境中对产品参数化模型进行修改后的数据返回CAD/CAM系统中。如果需要，数据集成器可以再读入新数据，并在虚拟环境中反应修改后的效果。

数据集成器可在虚拟环境中创建图像，在主界面上显示。

   主界面是用户和虚拟环境交互的主要界面，它可以是头盔中的显示器，也可以是计算机屏幕、大投影屏幕。

   在需要传送数据的虚拟设计环境中，数据表达非常重要，它提供一种方法，使数据可以在系统中不同模块之间储存和传送数据。CAD/CAM系统因为所使用的软件的不同所建立模型数据是各种各样的。

   需要传送数据的虚拟设计系统中有两大分支，一是用于建立虚拟环境主界面的对象类，二是用于开发虚拟环境中的软件工具的对象类。开发这个虚拟设计系统可参考以下步骤：

1、确定一个设计的产品；

2、选定一个和虚拟环境协同工作的CAD/CAM系统。

3、了解其数据表达和传送机制，并用它来建造所要设计产品的零件和部件的三围模型；

4、确定一个需要建立的虚拟环境，明确其功能、规模和使用的硬件设备、工具软件、编程语言及数据表达；确定CAD/CAM系统和所要建立的虚拟环境之间的数据交换方式；

5、建立各对象类的模块，明确各模块之间的关系，集成起来进行测试。测试双向数据传送的效果和考核整体效果。

 

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